高能效信息技术的未来超越摩尔定律

来源:中国计算机报
关键字:摩尔定律,信息技术,处理器,高能效IT
发布时间:2015-01-13 09:32

　　在微处理器发展的前20年中，如何使其极速运行几乎是发展的唯一的目标。而在过去10年，这一目标则持续围绕如何提高效率！乍一听很可笑，但如果您意识到机器在待机状态下比运行时更节能，就不会这么觉得了。试想一下：当阿波罗13号的宇航员们遭遇险境时，让他们顺利返航的关键，就是关闭所有非必要系统来节省能源。并且只有在系统工作所需的精确时间内才将其开启。现代微处理器和片上系统可以自动完成这一动作，我们无需再等候任务控制中心的紧急指令。现代硅芯片的准则是快速运行，然后关闭。它们具备启用和管理单个功能块功耗的能力，从而更加智能地完成这一操作：选择运行关键任务和优化运行，或是关闭以节省电力。

　　信息技术是日常生活的一部分

　　当我们乐此不疲地查看手持设备时，很少有人会想到究竟是什么样的IT基础设施才能做到将所有的信息都置于我们掌上。而考虑运行这种基础设施所需能源的人，更是少之又少。大多数人对于IT能效最关注的一点，就是希望电池能够支撑一整天使用。

　　从流媒体视频或音乐到共享照片，到社交媒体，再到跟踪我们的健身信息，抑或是评价餐厅，我们与互联网的联系从未如此紧密，而未来的发展没有终点。智能手机风暴席卷全球始于2007年iPhone的推出。随后开发商推出了各种我们能想得到的应用，智能手机成为我们生活中不可或缺的一部分。例如，2012年的一篇报道指出，18岁至29岁的人群中大多数在睡觉时把智能手机放在身边。计算设备正在飞速地渗透到日常生活。

　　接下来即将是可穿戴设备的天下，如谷歌眼镜、智能手表，以及各式各样的健身或健康监测设备。而所有这一切的发生正是始于万物互联的物联网，大量设备或电器将与互联网连接，环绕计算(Surround Computing)将让我们随时享受超强计算性能，预测我们的需求，并且为我们无缝提供与环境相关的信息。环绕计算可谓是一个物联网的超集合，因为它描述了我们将如何自然地与技术进行互动，以及技术将如何以各种新颖、令人激动的方式给我们带来更多的可能性。但与此同时，关于如何解答为不断增长的基础架构供能这一重要命题，也不断地被提及。

　　IT能耗巨大且持续增长

　　根据麻省理工学院统计，“全球30亿台个人电脑所消耗的能源超过全球能耗总量的1%，3000万台计算机服务器所消耗的电力又增加了全球能耗总量的1.5%，每年的成本为140亿至180亿美元。此外，来自于互联网、智能手机和万物联网用量的爆发式增长，也会使这一数字不断激增。”同样，据美国能源署预计，“在美国，IT及电信设施每年消耗约1200亿千瓦时的电量，或占全美用电量的3%。”

　　能效和IT

　　好消息是，正如Jonathan Koomey博士在麻省理工学院科技评论上所论述的那样，“自20世纪70年代以来，计算机性能实现了大幅度、稳步增长，每过一年半就会翻倍。而自计算机时代以来，计算的能效(每千瓦时用电可以完成的计算量)同样每过一年半就会翻倍。”我相信被动散热型的笔记本电脑、手机和平板电脑也都会延续这一趋势，从而引发使用电池供电的计算设备功耗迅速降低。

　　Koomey博士还在其文章中指出：“据观察，执行一项需要固定计算次数的任务，每一年半所用电量减少一半。”如果这听起来很熟悉，那并不奇怪。这就是1965年由戈登·摩尔(Gordon·Moore)发现的指数改善趋势，即广为人知的摩尔定律。摩尔定律曾精确地预测一个CPU上的晶体管数目每两年将增加一倍。最高能效的趋势遵循相同的模式，因为当我们在一个处理器内装入更多的晶体管时，电流在设备中经过的距离就会缩短，传输的速度也会变快，从而减少了执行特定单元的计算所需的电量。

　　但是在过去十年，曾经几近稳定的能效增长其实已经放缓，现在则大大落后于摩尔定律的预测。现在的问题是如何才能让其以最好的方式回到正轨上？

　　超越摩尔定律：高能效IT的未来

　　未来，IT行业的能效预计将继续提高，但增长方式将发生很大变化。例如，AMD最近宣布了一个雄心勃勃的目标，2014年至2020年，要使我们整个移动处理器产品线的一般使用能效增加25倍。我们计划通过加速性能和降低能耗相结合的手段来实现这一目标。如果我们能达成这一目标，意味着到了2020年，采用AMD技术的计算机仅需当今计算机1/5的时间来完成同样的计算任务，而平均能耗还不到当今计算机的1/5。设想您开的汽车可以获得同样的性能和能效提升：如果现在您开的是100马力的车，每加仑汽油可跑30英里，那么按6年内其性能提升25倍算，到2020年，您开500马力的车时，每加仑汽油可跑150英里。2008年，该产品线刚刚实现了10倍的能效增长。

　　未来，多数能效提升不再依赖于缩小单晶硅制程尺寸的传统方法，抑或是业内人士所说的“快速到达下一个制程节点”。

　　我们通过处理器架构升级和智能功耗管理对能效进行积极的设计，而不是单纯等待下一代硅技术投入使用。而且，在2014年至2020年期间，通过实现这一目标所获得的能效收益，将超过摩尔定律的效率趋势至少70%。

　　以下是关键设计创新中的几项，将有助于推动AMD高能效IT在未来的发展：

　　·异构计算和功耗优化：AMD加速处理器(APU)在一颗芯片上同时整合了中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)。将CPU和GPU融合在同一颗芯片上，取消了独立芯片之间的连接，从而实现节能。AMD通过APU使计算工作负载在CPU和GPU之间无缝转移，效率得到优化，从而节省更多能源。作为异构系统架构的一部分，这一做法正在被业内广泛采用。

　　·智能动态功耗管理：可能会更名为“快速待机”，因为这一创新主要通过快速、高效地完成一项任务，然后更快地返回超低功耗的待机状态来取得能效上的优势。

　　·未来的能效设计创新：未来，帧间功率门控、多域自适应电压、电压岛、系统组件深度集成，以及其他正在研发阶段的技术，将使能效更加快速地提升。

　　AMD公司已实现“双架构”产品的供应，同时涵盖ARM和x86指令集，使得相同的功耗管理方法可应用于大多数的IT应用场景。

　　能效的重要性

　　在生死攸关的时刻，勇敢的阿波罗13号宇航员们竭尽所能节省电力。我们对高能效IT的需求虽然没有那么急迫，但要求也很高。到2020年，联网设备的数量预计达到地球人口的几倍，使得能源需求增长。这证明要满足信息社会的需求，节能技术是必不可少的。

　　而且，随着联网设备的大规模增加，实现高能效IT有着强大的环境动因。国际能源机构(IEA)将能效比作“世界上首要的燃料”。同样，节约能源联盟也指出“通过减少燃料使用，提高能效，是避免气候变化的最重要手段之一”。虽然单凭高能效IT并不能充分解决气候变化问题，但它却是解决方案的重要组成部分。

　　提升IT设备的能效只是一个方面。支持IT的设备还能帮助其他系统实现更高能效，如智能电网、先进的暖通空调系统和传感器驱动的智能交通管理等IT应用。

　　作为将毕生精力投入到高科技行业的一员，我为我们在节约能源方面取得的成果，以及这些技术给整个世界带来的价值感到非常自豪。而未来将要诞生的创新甚至让我更加兴奋。

　　AMD高级副总裁兼首席技术官Mark Papermaster